RF/微波开关选型基础知识

我们知道开关的种类有很多，而RF微波开关最突出的特点就是做高频信号的传输路径切换，以满足测试系统的信号传输要求。

从工作原理上进行分类，RF微波开关可以分为机电开关和固态开关，机电开关包括电磁继电器和舌簧继电器。机电开关是依靠机械接触作为其机械结构，而固态开关称为无触点开关，一般由电力电子技术实现。

PickeringInterfaces开关从结构上进行分类，可以分为SPDT、多路复用、转换开关、矩阵开关等。

从其结构功能上进行分类，则包含带端接和无端接开关。自动端接在开关打开状态下会有匹配阻抗的电阻对信号进行吸收，避免反射（一般有端接的位置是信号输入的方向）。

RF微波开关的主要规格有：频率范围、承载功率、插入损耗（Insertion Loss）、隔离度（Isolation）、VSWR、串扰（Crosstalk）、重复率和使用寿命。

• 频率范围：高至65GHz的频率范围，范围广，种类多。
• 最大功率：Pickering开关板卡中涉及的最大功率指的是其承载功率，定义为开关承载功率的能力，它与设计以及使用的材料密切相关。当切换时在开关端口上存在射频微波功率时，即产生热切换。在切换前已移除信号功率时，即产生冷切换。冷切换获得较低的接触面应力和较长的寿命。
• 插入损耗：信号在开关板卡或系统传输时的衰减，用特定频率范围的分贝数来表示。当信号低或者噪声大的时候，插入损耗是相当重要的指标。
• 隔离度：理想开关在“断”态传递到负载（RL）上的功率与理想开关在“通”态传递到负载上的功率之比，也可以简单理解为邻近通道的电压比，定义为一个频率范围上的分贝数。
• VSWR：是对信号在传输线路上反射的测量，定义为信号路径上驻波的最高电压幅度与最低电压幅值之比。电压驻波比越大，反射功率越高，传输效率越低。
• 串扰：指不同通道上传输的信号之间或通道上信号与输出信号之间产生的电容耦合、电感耦合或者电磁辐射。一般用特定负载阻抗和特定频率下的分贝数来描述。
• 重复率：是指开关的技术指标经长期反复使用之后变化的度量。开关作为系统部件使用时，其重复率对系统总测量精度至关重要。可定义开关板卡任何指标的重复率，包括插入损耗、反射、隔离和相位。
• 使用寿命：开关使用寿命规定为使用次数，即开关从一个位置到另一个位置，再返回原位置的次数。长的使用寿命减少了定期维护、停机时间和修理，从而降低了用户的使用成本。

PickeringInterfaces设计和制造用于电子测试和仿真的模块化信号切换和仿真，其结构上主要包含SPDT、多路复用、旁路开关、转换开关和矩阵开关等。根据其结构功能，又具有端接和无端接之分。自动端接在开关打开状态下会有匹配阻抗的电阻对信号进行吸收，避免反射（一般有端接的位置是信号输入的方向）。

1. SPDT开关

单刀双掷开关主要是从一个信号输入路由至两个信号输出，如图1所示（4×SPDT）。其主要是可以控制电源向两个不同的方向输出，也就是说可以用来控制两台设备，或者说可以控制同一台设备转换运转方向使用。

图1 SPDT开关结构（上图为不带端接结构，下图为带端接结构）

2. 多路复用开关（MUX）

一个输入端口连接至多个输出端口（三个甚至更多输出端口）。MUX两个最基本的解决方案是基于树形结构和传统结构。传统MUX中，公共端连接用作输入（或者如果MUX用于解复用，则作为输出），并且通过继电器连接到不同的路径。所有基于MUX的继电器可以作为解复用—将一个许多信号连接到单个测试端口，而不是将单个信号连接到许多测试端口中的某一个。

而树形MUX使用SPDT继电器将公共端与输出（输入）连接在一起。使用树形结构切换信号以扩展支持输出连接的数量。由于继电器用于选择两个路径中的某一个闭合，MUX仅允许选择一个总路径，并且不可能无意的将输出连接连接在一起。该路径使用多个串联的继电器，因此直通路径中的DC电阻高于常规MUX中的DC电阻。MUX中继电器的数量需要高于常规MUX中的继电器数量。除非增加了附加的继电器，树形MUX总是在公共端和输出之间有默认路径。

树形MUX通常用于RF矩阵的一部分，第二种用途是电力系统中，即使在继电器焊接的情况下，输入仅连接到一个输出。由于MUX由转换开关创建，焊接继电器固有的防止附加路径被连接。

图2 传统MUX结构

图3 树形MUX结构

3. 转换开关

转换开关可作为瞬断开关在两个输入和两个输出间切换。转换开关通常仅在微波切换系统中实现，它们是具有两个输入和两个输出的四个终端设备，其中一个输入可以连接到任意一个输出，然后第二个输入连接到其他输出。当在微波继电器中实现时，可是没有连接的默认“全开”位置。（典型的转换开关型号为40-782A）

图4 转换开关结构

4. 矩阵开关

矩阵开关可以实现每个输入和每个输出连接，有两种类型的矩阵在微波开关架构中得以采用-blocking和non-blocking架构。一个blocking矩阵可将任意一个输入和输出进行连接，因此其他输入和输出就不能同时连接。这对只需要在一个时刻切换到一个信号频率的应用是一个有效的低成本方案，信号完整性也很好，因为有更少的继电器路径，特别是避免了相位延迟的问题。而non-blocking矩阵是阻塞矩阵的一个变体，这种矩阵包含一组复杂的功率分配器/组合器，允许多个路径同时连接，这种架构具有更多的继电器和线缆，因此，灵活性更高，价格也更高，如图5所示（blocking和non-blocking架构4×4矩阵）。

图5-1 4×4端接矩阵（non-blocking矩阵结构）

图5-2.2 blocking矩阵结构

总结

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理解并掌握RF/微波系统构建中的各个开关板卡的规格参数和结构特性，有利于保证信号和系统的完整性。减小信号传输过程中产生不必要的损耗和相位失真，提升信号质量。